Potential difference/فرق الجهد

يُعرَّف فرق الجهد بأنه الشغل اللازم لنقل شحنة كهربائية من نقطة إلى أخرى. فعلى سبيل المثال، يجب أن يكون هناك فرق جهد في التيار الكهربائي حتى تنتقل الشحنة بين نقطتين. ويُعرف أيضًا بأنه فرق طاقة الوضع لكل وحدة شحنة أو الفولتية. ووحدة قياس فرق الجهد هي الفولت (V).

فرق الجهد هو الطاقة اللازمة لنقل شحنة كهربائية مقدارها وحدة واحدة بين نقطتين في دائرة كهربائية. تُوفَّر هذه الطاقة من مصدر طاقة، مثل بطارية أو مولد كهربائي. يُعد فرق الجهد بين نقطتين مقياسًا للطاقة الكهربائية الكامنة لكل وحدة شحنة عند إحدى النقطتين بالنسبة للأخرى. وحدة قياس فرق الجهد هي الفولت، نسبةً إلى أليساندرو فولتا، أحد رواد علم الكهرباء.

في مجال الكهرباء، يُعد فرق الجهد (الفولتية) أحد العناصر الأساسية لتوليد الكهرباء. تعتمد القدرة الكهربائية على فرق الشحنة بين قطبي البطارية (الفولتية) ومعدل تدفق الشحنة عبرها (التيار). وبمقارنة ذلك بتدفق الماء، تُمثل الفولتية ضغط الماء الذي يُحرك تدفقه، بينما يُمثل التيار تدفق الماء عبر مساحة مقطع الأنبوب. ينشأ فرق الشحنة نتيجةً لزيادة تركيز الإلكترونات على أحد قطبي البطارية، وهذا الفرق في الشحنة هو الفولتية. وبالعودة إلى مثال الماء، فإن فرق الارتفاع الناتج عن سد، على سبيل المثال، يُؤدي إلى زيادة تركيز الماء عند أحد طرفيه، وهذا الجهد هو ما ينتج عن تدفقه. إن قوة الجذب التي تجذب الإلكترونات نحو الشحنات الموجبة هي التي تسمح بحركة الشحنة التي تُولد القدرة الكهربائية.

يمكن أن تساعد التشبيهات في فهم مفهوم فرق الجهد المحتمل:

1. تشبيه تدفق الماء : يُشبه الجهد الكهربائي ضغط الماء. فكما يدفع ضغط الماء العالي الماء عبر الأنابيب، يدفع فرق الجهد العالي الشحنات الكهربائية عبر الموصلات. إذا تخيلنا الدائرة الكهربائية كنظام أنابيب، فإن البطارية أو مصدر الطاقة يُشبه مضخة تُولّد ضغطًا (جهدًا كهربائيًا)، مما يُسبب تدفق الماء (الشحنات الكهربائية).
2. تشبيه بالجاذبية : يمكن تشبيه فرق الجهد بفرق الارتفاع في مجال الجاذبية. فكما يتدفق الماء من ارتفاع أعلى إلى ارتفاع أقل بفعل طاقة الوضع الجاذبية، تتدفق الشحنات الكهربائية من نقطة ذات جهد كهربائي أعلى إلى نقطة ذات جهد كهربائي أقل.

1. البطاريات : تُعد البطاريات مصدراً شائعاً لفرق الجهد في العديد من الأجهزة. فهي تخزن الطاقة الكيميائية وتحولها إلى طاقة كهربائية، مما يوفر فرق جهد ثابت يدفع التيار عبر الدوائر في أجهزة مثل المصابيح اليدوية وأجهزة التحكم عن بعد والهواتف الذكية.
2. وحدات التغذية الكهربائية : تقوم وحدات التغذية الكهربائية، بما في ذلك تلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى، بتحويل التيار المتردد (AC) من مقابس الحائط إلى تيار مستمر (DC) بمستويات الجهد المناسبة لتشغيل الجهاز. وتضمن هذه الوحدات حصول المكونات الإلكترونية على فرق الجهد الصحيح لكي تعمل بشكل سليم.
3. المركبات الكهربائية : تعتمد المركبات الكهربائية على بطاريات عالية الجهد لتشغيل محركاتها الكهربائية. ويحدد فرق الجهد الذي توفره هذه البطاريات الطاقة المتاحة لتشغيل المحركات، وبالتالي أداء المركبة.
4. أنظمة الطاقة المتجددة : تولد الألواح الشمسية الكهرباء عن طريق تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، مما يخلق فرق جهد يمكن استخدامه لتزويد المنازل والشركات بالطاقة. وتعمل توربينات الرياح وفق مبدأ مماثل، حيث تحول الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية.

لقياس فرق الجهد، يُستخدم جهاز يُسمى الفولتميتر. يُوصل الفولتميتر على التوازي بين النقطتين المراد قياسهما. يُعطي الفولتميتر قراءة للجهد، تُشير إلى مقدار الطاقة المتاحة لكل وحدة شحنة لأداء شغل في الدائرة. يُعدّ قياس فرق الجهد بدقة أمرًا بالغ الأهمية لتشخيص أعطال الأنظمة الكهربائية وإصلاحها، وكذلك لتصميم دوائر كهربائية فعّالة.

1. ألكسندر، تشارلز ك.، وماثيو نو ساديكو. "أساسيات الدوائر الكهربائية". ماكجرو هيل للتعليم.
2. ديشموخ، بي إتش "الكهرباء والإلكترونيات الأساسية". منشورات فنية.
3. هورويتز، بول، ووينفيلد هيل. "فن الإلكترونيات". مطبعة جامعة كامبريدج.
4. بلات، تشارلز. "اصنع: الإلكترونيات: التعلم من خلال الاكتشاف". شركة ميكر ميديا.

• ويكيبيديا: فرق الجهد
• أكاديمية خان: فولتج